Légende de la leçon
Vert : définitions
I. La composition de l’air
1) L’air atmosphérique
L’air est essentiellement constitué de deux gaz : le diazote (N2) majoritaire occupant un volume d’environ 80 % et le dioxygène (O2) occupant un volume d’environ 20 %.
Remarque
Le mot « gaz » est invariable, on écrit donc « des gaz ». Le mot « air » est masculin.
À une température donnée et une pression fixée (proche de la pression atmosphérique), une mole de gaz occupe un volume appelé volume molaire quel que soit le gaz. Ainsi, il revient au même d’exprimer la composition de l’air en pourcentage de volume, en fraction molaire ou en pourcentage molaire.
La composition de l’air détaillée à 20 °C est indiquée dans le tableau suivant.
D’autres gaz sont présents à des teneurs inférieures, comme le méthane. Selon l’humidité, la proportion de vapeur d’eau, normalement autour de 0,3 %, peut atteindre quelques pourcents.
Remarque
Pour les petites teneurs, on remplace le pourcentage par ppmv : partie par million en volume. 1 000 ppmv = 0,10 % en volume.
2) La mise en évidence de certains gaz
Le dioxyde de carbone est mis en évidence grâce à l’eau de chaux (solution saturée d’hydroxyde de calcium) qui se trouble en sa présence.
Le dioxygène est mis en évidence lorsqu’il rallume une allumette incandescente (dont l’extrémité est rouge mais ne produit pas de flamme).
La vapeur d’eau fait bleuir le sulfate de cuivre anhydre.
3) Le déficit en dioxygène
La teneur du dioxygène dans l’air ambiant est suffisante pour permettre la respiration dans de bonnes conditions, même lors d’efforts.
La composition de l’air ne varie pas jusque très haute altitude, car un brassage continu maintient ses proportions. Cependant, au fur et à mesure que l’altitude augmente, la pression atmosphérique diminue et donc le dioxygène disponible aussi. L’organisme a plus de difficultés à produire un effort et se fatigue plus rapidement.
Lorsqu’une pièce est mal ventilée, ou en cas d’incendie, la teneur en dioxygène se réduit, ce qui peut engendrer une asphyxie.
II. La loi des gaz parfaits
1) Énoncé
Pour un gaz, on dispose d’une relation reliant les grandeurs suivantes :
La température absolue T en kelvin est égale à la température θ exprimée en degrés Celsius plus 273 : T = θ + 273.
On obtient aussi : n = P×VR×T.
Exemple
Si l’on veut calculer le volume occupé par une mole de gaz à une température T = 298 K (25 °C) et sous une pression de 1,00 × 105 Pa, on effectue alors : V = nRTP soit V = 1×8,31×2981,00.105 = 24,8 L. C’est la valeur du volume molaire Vm à T = 298 K (25 °C) et P = 1,00 × 105 Pa.
2) Application à une bouteille d’air comprimé
Une bouteille d’air comprimé renferme un volume d’air sous pression. Une bouteille de plongée a en général un volume intérieur V = 12,0 L et elle est remplie sous une pression P = 200 bar = 200 × 105 Pa.
Il faut utiliser une bouteille d’air comprimé sous l’eau, car, en plongeant, la pression augmente de 1,0 bar tous les 10 m.
Ainsi, lorsque l’on plonge à 20 m en dessous du niveau de la mer, la pression totale vaut 3,0 bars. Lorsque l’on inspire, un détendeur amène l’air à une pression de 3 bars et un volume d’environ 5 litres d’air rentre dans les poumons. Comme la pression est 3 fois plus grande, on fait rentrer 3 fois plus de quantité de matière : il faut donc avoir une grande réserve dans la bouteille, ce qui est obtenu en comprimant fortement l’air.
Dans une bouteille de volume 12 L à une pression P = 200 bar, il y a autant d’air que dans un volume V′ = 200 × 12 = 2 400 L à la pression P′ = 1,0 bar.
Bouteille d’air comprimé
Remarque
1,0 bar = 1,0 × 105 Pa.
Une personne inspire environ 1 200 L d’air par heure.
Application
1. Quel volume d’air V à une pression P = 3,0 bars (plongée à 20 m de profondeur) peut-on obtenir à partir d’une bouteille ayant un volume V′ = 12 L et une pression P = 200 bars ?
2. Quelle autonomie cette bouteille apporte-t-elle à un plongeur à 20 m de profondeur ?
Solution
1. La quantité de matière est la même dans la bouteille et à l’extérieur de la bouteille. On considère une température absolue T identique. On peut donc écrire :
n = P × V/R × T = P′ × V′/R × T soit P × V = P′ × V′ (ceci constitue la loi de Mariotte).
On recherche alors le volume V sous une pression de trois bars, on obtient donc :
V = P′ × V′/P = 200 × 12/3 = 800 L.
2. Une personne inspire environ 1 200 L d’air par heure, 800 L d’air lui assurent donc une autonomie de 800/1 200 = 2/3 h soit 40 min à une profondeur de 20 m sous le niveau de la mer.
III. Le monoxyde de carbone (Co)
1) Formation
Le monoxyde de carbone est issu de la combustion de matières organiques lors d’apports insuffisants en oxygène. La source principale de monoxyde de carbone est le trafic automobile comportant des véhicules à moteur : la teneur en CO des gaz d’échappement des voitures varie de 0,1 à 8 %. Des taux importants de CO seront produits quand un moteur tourne au ralenti en espace clos, en cas d’embouteillages en espaces couverts ou en cas de mauvais fonctionnement d’un appareil de chauffage domestique.
2) Danger lors de l’inhalation
Le monoxyde de carbone est un gaz asphyxiant indétectable, car il est invisible, inodore et non irritant.
L’inhalation de ce gaz, peut conduire à une intoxication : le CO se fixe, via la respiration et les poumons, sur l’hémoglobine des globules rouges (voir schéma ci-contre) et empêche ces derniers de véhiculer correctement le dioxygène dans l’organisme. Lors de l’exposition à ce gaz, les symptômes sont : malaise, maux de tête, vision floue, nausées, vomissements, difficultés à réaliser des efforts, souffle court puis confusion mentale.
Fixation du monoxyde de carbone sur l’hémoglobine
IV. L’ozone (O3)
1) Formation
L’atmosphère est une couche gazeuse s’étendant au-dessus du sol terrestre : la pression, exprimée sur le graphe ci-contre en hectopascals (hPa), diminue rapidement lorsque l’altitude augmente.
L’atmosphère est décomposée en différentes parties : la plus proche, jusqu’à 11 kilomètres d’altitude, est la troposphère, suivie par la stratosphère.
Les activités humaines génèrent des polluants organiques, les composés organiques volatils (COV) ; en présence de dioxygène, d’oxydes d’azote et sous l’action du rayonnement intense du soleil, ils forment de l’ozone dans la troposphère.
Température et pression des différentes couches de l’atmosphère
L’ozone se trouve aussi naturellement dans les hautes couches de l’atmosphère (stratosphère). Son rôle est vital : il filtre et arrête les rayonnements UV nocifs du soleil. Sa concentration est maximale entre 25 et 30 km d’altitude : c’est la couche d’ozone.
2) Danger lors de l’inhalation
L’ozone est un gaz incolore, mais irritant. Son odeur est âcre. Cette molécule comporte 3 atomes d’oxygène (O3) et elle a un fort pouvoir oxydant (cette propriété est utilisée pour éliminer les microbes de l’eau injectée dans les réseaux d’eau potable au lieu d’employer de l’eau de Javel).
Une brève exposition à l’ozone peut causer, entre autres, une irritation des yeux, des voies nasales et de la gorge, une toux et des maux de tête. Une exposition à une forte concentration peut provoquer une réaction inflammatoire des bronches et entraîner des lésions du tissu pulmonaire. L’ozone est fortement relié à l’asthme et peut en aggraver les symptômes., entraînant des admissions hospitalières pour causes respiratoires et cardiovasculaires, qui peuvent conduire à un excès de mortalité.
Les températures élevées favorisent la production d’ozone, aussi ce polluant est-il plus particulièrement présent en été.
V. Les gaz à effet de serre (gES)
1) Définition
Les gaz à effet de serre (GES) sont des gaz contenus dans l’atmosphère. Ils sont transparents à la lumière visible du soleil mais absorbent le rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre et contribuent ainsi à l’effet de serre (phénomène naturel provoquant une élévation de la température à la surface de notre planète). L’augmentation de leur concentration dans l’atmosphère terrestre, liée aux activités humaines, est l’un des facteurs à l’origine du réchauffement climatique.
Puissance par unité de surface des rayonnements reçus et émis par la Terre
Les principaux gaz à effet de serre sont :
- la vapeur d’eau (H2O), responsable de trois quarts de l’effet de serre naturel ;
- le dioxyde de carbone (CO2), dont la concentration évolue avec les activités humaines liées à l’industrie, au chauffage et aux transports, mais aussi aux changements d’occupation des sols ;
- le méthane, un gaz à effet de serre bien plus puissant que le CO2, mais moins concentré, dont l’origine est liée aux processus de fermentation (marécages, décharges, digestion des ruminants, etc.) ;
- l’ozone, présent naturellement dans la stratosphère, mais aussi créé par les transports ;
- le protoxyde d’azote (« gaz hilarant »), émis naturellement par les sols.
2) Incidence sur le climat
L’augmentation de la concentration en dioxyde de carbone entraîne une absorption plus importante dans les océans et donc une acidification. Ceci fragilise la constitution des coquilles des espèces marines.
Le climat change notablement, les phénomènes météorologiques majeurs sont plus fréquents. Les espèces animales se déplacent plus au nord puisque les hivers sont moins longs et moins rigoureux. Les calottes glaciaires se réduisent, ce qui limite aussi la quantité de lumière réémise vers le ciel.